Синхронізатор коробки передач

Винахід належить до транспортного машинобудування, зокрема, до синхронізуючих перемикаючих пристроїв (синхронізаторів) ступінчастих і діапазонно-безступінчастих коробок передач колісних і гусеничних машин. Відомо перемикаючий пристрій, що містить вал, на якому з можливістю вільного обертання встановлені шестірні, виконані із зубчастими вінцями, рухли вий корпус, розміщений між шестірнями і зубчастою муфтою, з'єднану з корпусом [див. опис до авт. св. СРСР №1086250, кл. F16D23/02, F16D23/14]. У даному пристрої вал має зубчастий вінець, з обох сторін якого встановлені шестірні. Зубчаста м уфта виконана рухливою в осьовому напрямку і з зубчастими внутрішніми вінцями. Для включення передач, тобто для з'єднання, наприклад, лівої шестірні з валом, необхідно корпус, з'єднаний з муфтою, перемістити вправо. При цьому один зубчастий вінець муфти вийде з зачеплення з зубчастим вінцем правої шестірні, а інший зубчастий вінець ввійде в зачеплення із зубчастими вінцями вала і лівої шестірні. Недоліком відомого пристрою є відсутність синхронізуючих конусів на шестірнях і корпусі. Тому введення в зачеплення зубчастих вінців муфти, вала і шестірень відбувається без попередньої синхронізації їхніх частот обертання. Це значно ускладнює процес введення в зачеплення зубчастих вінців і прискорює знос цих вінців, що знижує надійність роботи пристрою. Крім того, цей пристрій неможливо використовувати в діапазоннобесступінчастій коробці передач для переключення діапазонів (механічних ступенів). Найбільш близьким до заявленого рішення (прототипом), є синхронізатор, що містить вал, установлені на валу з можливістю вільного обертання шестірні, виконані із синхронізуючими конусами і зубчастими вінцями, рухливий корпус, виконаний із синхронізуючими конусами і з фігурним прорізом, розміщений між шестірнями з можливістю взаємодії з їхніми синхронізуючими конусами, зубчасту муфту, з'єднану з корпусом за допомогою пружинного фіксатора і жорстко зв'язану з перемикаючим кільцем за допомогою пальця, встановленого у фігурному прорізу [див. книгу " Легкий многоцелевой гусеничный транспортер-тягач. Техническое описание и инструкция по эксплуатации" за редакцією А.Ф.Белоусова, Москва, війск. вид. МО СРСР, 1976, стор.55,57,58, мал.26]. Відомий синхронізатор має тільки одну зубчасту муфту, з уби якої при включенні передають потік потужності як від двигуна до ведучих коліс, так і в зворотному напрямку - від ведучих коліс до двигуна при русі накатом. Щоб переключити передачу необхідно ту саму зубчасту муфту спочатку вивести з зачеплення із шестірнею передачі, що виключається, потім синхронізувати конусами частоти обертання зубчастої муфти і шестірні передачі, що включається, а потім ввести зубчасту м уфту в зачеплення із шестірнею передачі, що включається. Крім того, перед початком переключення необхідно знизити частоту обертання колінчастого вала двигуна і виключити зчеплення, а після переключення включити зчеплення. Таке послідовне виконання дій при переключенні передач потребує багато часу, при якому відбувається розрив потоку потужності від двигуна до ведучи х коліс. При цьому зниження частоти обертання елементів передачі, що включається, відбувається значно швидше, ніж водій устигає синхронізувати частоти обертання зубчастої муфти і шестірні передачі, що включається. Тому потрібно прикладати велике зусилля до важеля переключення передач для того, щоб конусами синхронізатора "підтягти" частоту обертання шестірні передачі, що включається, і зв'язані з нею інші елементи, до частоти обертання вала і встановленої на ньому зубчастої муфти. Неузгодженість частот обертання особливо позначається на нижчих передачах при русі машини у важких дорожніх умовах, коли поступальна швидкість ще низька, і поки синхронізатор зблокується, машина утратить швидкість і зупиниться. Тому синхронізація і введення в зачеплення вінців зубчастої муфти й шестірні, особливо з огляду на малий зазор між зубами, жадає від водія гарних навичок. При невдалій спробі включення передачі необхідно включити попередню передачу, розігнати машину і повторити переключення на наступну передачу. Це приводить до збільшення часу, використаного на переключення, тобто знижуються динамічні властивості машини при розгоні, збільшуються зусилля при переключенні передач, ускладнюються умови роботи водія, знижується надійність роботи синхронізатора. Крім того, навіть невеликий знос зубчастих вінців може привести до самовимикання передачі, що також знижує надійність роботи синхронізатора. При переключенні цим синхронізатором необхідно обов'язково виключати зчеплення, щоб розірвати потік потужності від двигуна. Тому цей синхронізатор застосовується тільки в ступінчастій коробці передач і його неможливо використовувати в діапазонно-безступінчастій коробці передач, де переключення механічних ступенів (передач) у механічному потоці відбувається без розриву потоку потужності від двигуна і при безупинному збільшенні частоти обертання елементів передач, що включаються. Технічною задачею винаходу є скорочення часу розриву потоку потужності при переключенні передач синхронізатором за рахунок поділу функцій зубчастої муфти при передачі потоку потужності як у прямому (від двигуна до ведучи х коліс) так і в зворотному (від ведучи х коліс до двигуна) напрямках і збільшення зазору між зубами елементів, що включаються. Поставлена технічна задача вирішується тим, що синхронізатор коробки передач, що містить вал, установлені на ньому з можливістю вільного обертання шестірні, виконані із синхронізуючими конусами та із зубчастими вінцями, корпус із синхронізуючими конусами і з фігурним прорізом, розміщений між шестірнями з можливістю осьового переміщення і взаємодії з їхніми синхронізуючими конусами, зубчасту муфту, встановлену на валу з можливістю осьового переміщення і зв'язану з корпусом за допомогою пружинного фіксатора і перемикаюче кільце, зв'язане з зубчастою муфтою за допомогою пальця, розміщеного у фігурному прорізу корпуса, відповідно до винаходу постачений проміжною кулачковою муфтою, зв'язаною з зубчастою муфтою за допомогою фіксуючого штифта і встановленою на валу концентрично зубчастій муфті з можливістю осьового переміщення щодо вала і зубчастої муфти і зачеплення з виконаними на торцях шестірень кулачками. Кількість зубів у зубчастих вінцях шестірні і зубчастої муфти кратна кількості кулачків. Неробочі поверхні кулачків проміжної кулачкової муфти й шестірні розташовані під кутом більш 90° до поверхні западин кулачків. Проміжна кулачкова муфта виконана з наскрізним отвором, а фіксуючий шти фт встановлений в отворі перпендикулярно подовжньої осі. По обидва боки від місця установки фіксуючого шти фта на валу виконані проточки на відстані, що перевищує суму висоти робочої поверхні кулачка і величини осьового зазору між синхронізуючими конусами корпуса і шестірні. Наявність проміжної кулачкової муфти, з'єднаної із зубчастою муфтою за допомогою фіксуючого шти фта, на торцевій поверхні якого рівномірно виконані кулачки на значній відстані один від одного, що у бага то разів перевищує зазори між зубами зубчастих вінців муфти і шестірні прототипу, дозволяє зробити включення передачі у два етапи. Спочатку попереднє включення, тобто введення в зачеплення кулачків проміжної кулачкової муфти й кулачків шестірні передачі, що включається, навіть при неузгодженості частот обертання елементів, що включаються. При цьому потік потужності від двигуна до ведучи х коліс передається через робочі поверхні кулачків. Потім повне включення передачі, тобто вільне (із зазором) введення в зачеплення вінців зубчастої муфти й шестірні передачі, що включається. Це зачеплення при включенні передачі потоку потужності не передає. Але при русі машини накатом (з гори), коли потік потужності йде в зворотному напрямку, тобто від ведучи х коліс до двигуна, частота обертання проміжної кулачкової і зубчастої муфт перевищує частоту обертання шестірні включеної передачі. Зубчаста муфта захоплює шестірню за собою, тому в зачепленні між кулачками з'являється зазор. Потік потужності при цьому від ведучи х коліс до двигуна передається через робочі поверхні зубів у зачепленні зубчастих вінців муфти і шестірні включеної передачі. Введення проміжної кулачкової муфти, що зв'язана із зубчастою муфтою за допомогою фіксуючого шти фта, і встановлена на валу концентрично зубчастій муфті з можливістю осьового переміщення щодо вала і зубчастої муфти, і поділ функцій між муфтами при передачі потоку потужності на різних режимах руху машини дозволяє виконувати процес включення наступної передачі при включеній проміжній кулачковій муфті синхронізатора попередньої передачі (через який продовжує передаватися потік потужності від двигуна до ведучи х коліс) і виключеній зубчастій муфті. Тим самим істотно скорочується час розриву потоку потужності при переключенні передач, підвищуються динамічні властивості машини при розгоні, полегшується включення і вимикання передач, підвищується надійність роботи синхронізатора. Крім того завдяки значній відстані між кулачками проміжної кулачкової муфти, що у багато разів перевищує ширину (товщину) кулачка, забезпечується працездатність синхронізатора при використанні в діапазонно-безступінчастих коробок передач. На Фіг.1 показаний синхронізатор коробки передач. На Фіг.2 - січ. Б-Б на Фіг.1. На Фіг.3 - вид по стрілці А на Фіг.1 (перемикаюче кільце не показане). На Фіг.4 - січ. В-В на Фіг.2. На Фіг.5 - елемент Γ на Фіг.1. На Фіг.6 показаний варіант синхронізатора коробки передач. На Фіг.7 - січ. Д-Д на Фіг.6. Синхронізатор коробки передач установлюється між шестірнями парних чи непарних передач (1 і 3, 2 і 4 і т.д.). Синхронізатор містить вал 1, з виконаною на ньому шліцевою ділянкою 2, з обох сторін якої з можливістю вільного обертання встановлені шестірні 3,4 першої і третьої передач. Шестірні 3,4 виконані із синхронізуючими конусами 5, 6 і з внутрішніми зубчастими вінцями 7, 8. Між шестірнями 3,4 рухливо встановлений корпус 9, виконаний з фігурним прорізом 10 і із синхронізуючими конусами 11, 12 для взаємодії із синхронізуючими конусами 5,6 шестірень 3, 4. Корпус 9 з'єднаний із зубчастою муфтою 13 за допомогою пружинного фіксатора 14. Пружинний фіксатор 14 встановлений в отворі 15 зубчастої муфти 13 і в конічній проточці 16 корпуса 9 і складається з фіксатора 17, піджатого пружиною стиску 18. Зубчаста муфта 13 виконана із зовнішніми зубчастими вінцями 19,20 і з внутрішніми шліцами 21 і жорстко зв'язана з перемикаючим кільцем 22 за допомогою пальця 23, що встановлений у фігурному прорізу 10. На валу 1 концентрично зубчастій муфті 13 з можливістю осьового переміщення уздовж вала встановлена проміжна кулачкова муфта 24. На зовнішній і внутрішній поверхнях проміжної кулачкової муфти 24 виконані шліци відповідно 25 і 26 для взаємодії зі шліцами 21 зубчастої муфти 13 і зі шліцевою ділянкою 2 вала 1. На торцевих поверхнях проміжної кулачкової муфти 24 рівномірно виконані, наприклад, вісім кулачків 27, 28 для взаємодії з такими ж кулачками 29,30 на шестірнях 3,4. Причому кількість зубів у зубчасти х вінцях 7,8,19,20 шестірень 3,4 і зубчастої муфти 13, кратна кількості кулачків 27,28,29,30. Кожний з кулачків 27,28,29,30 має робочу поверхню 31, розташовану перпендикулярно поверхні западин 32 кулачків, і неробочу поверхню 33, розташовану під кутом (а) більш 90° до поверхні западин 32. Проміжна кулачкова муфта 24 зв'язана з зубчастою муфтою 13 за допомогою фіксуючого штифта 34, встановленого в наскрізному отворі 35, виконаному в проміжній кулачковій муфті 24 перпендикулярно поздовжньої осі. Один кінець фіксуючого шти фта 34 упирається в конічну проточку 36 зубчастої муфти 13, а інший кінець - у шліци 2 вала 1. По обидва боки від місця установки фіксуючого шти фта 34 на шліцевій ділянці 2 вала 1 виконані конічні проточки 37 і 38 на відстані, що перевищує сум у висоти (h), див. Фіг.4, робочої поверхні 31 кулачка і величини зазору (а), див. Фіг.5, між синхронізуючими конусами 6, 12 шестірні 4 і корпуса 9 в осьовому напрямку. На зубчастій муфті 13 і шестірнях 3,4 замість зубчастих вінців 19,20 і 7,8 можуть бути виконані кулачки 39,40 і 41,42 відповідно (див. Фіг.6). Кількість кулачків 39,40, 41,42 повинна бути кратного кількості кулачків 27,28,29,30. Кожний з кулачків 39,40,41,42, як і кулачки 27,28,29,30 має робочу поверхню 43, розташовану перпендикулярно поверхні западин 44, і неробочу поверхню 45, розташовану під кутом (b) рівним чи більшим 90° (див. Фіг.7). Причому кулачки 39,40,41,42 зорієнтовані робочими поверхнями так, що можуть передавати потік потужності протилежного напрямку (тобто від ведучи х коліс до двигуна при русі накатом), ніж кулачки 27,28,29,30. При передачі потоку потужності від двигуна до ведучи х коліс через кулачки 27 і 29 чи 28 і 30, між кулачками 39 і 41 чи 40 і 42 мається зазор (b) (див. Фіг.7) так само як і в зачепленні між зубами зубчастих вінців 19 і 7 чи 20 і 8. Працює пропонований синхронізатор у такий спосіб. У вихідному положенні проміжна кулачкова муфта 24, зубчаста муфта 13, корпус 9 і перемикаюче кільце 22 з'єднані як одне ціле і встановлені на шліцевій ділянці 2 вала 1 із зазором (а) між синхронізуючими конусами 5, 11 і 6,12. При цьому фіксатор 17 пружинного фіксатора 14 упирається в конічну проточку 16 корпуса 9, фіксуючий шти фт 34 одним кінцем входить у конічну проточку 36 зубчастої муфти 13, а іншим упирається в шліцеву ділянку 2 вала 1. Для включення передачі, наприклад третьої, переміщають перемикаюче кільце 22 вправо. Зусилля від кільця 22 через палець 23 передається до зубчастої муфти 13, а від неї через фіксатор 17 пружинного фіксатора 14 на корпус 9. Далі зусилля передається від зубчастої муфти 13 через фіксуючий шти фт 34 на проміжну кулачкову муфту 24. Корпус 9 переміщається в осьовому напрямку вправо. При цьому синхронізуючий конус 12 корпуса 9 стикається із синхронізуючим конусом 6 шестірні 4 передачі, що включається. Виникаюча між конусами сила тертя провертає корпус 9 щодо пальця 23, притискає поглиблення фігурного прорізу 10 до пальця 23, (див. Фіг.3) і перешкоджає осьовому переміщенню зубчастої муфти 13 і проміжної кулачкової муфти 24. Коли частоти обертання корпуса 9 і шестірні 4 вирівнюються, то сила, що утримує палець 23 у поглибленні фігурного прорізу 10 зникне, палець 23 легко вийде з поглиблення фігурного прорізу 10. Потім палець 23 і зв'язані з ним зубчасту м уфту 13 і проміжну кулачкову муфту 24 за допомогою перемикаючого кільця 22 переміщають уздовж прорізу 10. При цьому фіксатор 17 пружинного фіксатора 14 упирається в конічну проточку 16 на корпусі 9 і утоплюється в осьовому отворі 15 зубчастої муфти 13, роз’єднуючи корпус 9 і зубчасту муфту 13, і не перешкоджаючи її осьовому переміщенню. Зубчаста муфта 13 і з'єднана з нею за допомогою штифта 34 проміжна кулачкова муфта 24 переміщаються як одне ціле до попереднього включення передачі, тобто до введення в зачеплення кулачків 28, 30 проміжної кулачкової муфти 24 і шестірні 4. Тому що вісім кулачків 28 і 30 рівномірно розташовані на значній відстані один від одного, то навіть при розсинхронізації частот обертання елементів, що включаються, кулачки встигають ввійти в зачеплення своїми робочими поверхнями 31, (див. Фіг.4). Після введення в зачеплення кулачків 28, 30 проміжна кулачкова муфта 24 займає таке положення, при якому фіксуючий штифт 34 виявляється над конічною проточкою 38. Потужність від двигуна починає передаватися через шестірню 4, робочі поверхні 31 кулачків 30, і 28. Потім перемикаюче кільце 22, палець 23 разом із зубчастою муфтою 13 переміщають уздовж прорізу 10 до повного включення передачі. Зубчаста муфта 13 переміщається по шліцах 25 проміжної кулачкової муфти 24 до введення в зачеплення зубчастих вінців 8 і 20 зубчастої муфти 13 і шестірні 4. При цьому зубчаста муфта 13 своєю конічною проточкою 36 утоплює фіксуючий штифт 34 у конічну проточку 38 на валу 1, блокуючи осьове переміщення проміжної кулачкової муфти 24 і виключаючи вихід з зачеплення кулачків 28, 30, наприклад, при зносі кулачків і ін. Зубчасте зачеплення 8 і 20 зубчастої муфти 13 і шестірні 4 необхідно також для запобігання самовимикання передачі, тобто для запобігання розриву потоку потужності, що автоматично вступає в роботу, коли частота обертання вала 1 і проміжної кулачкової муфти 24 перевищує частоту обертання шестірні 4 включеної передачі. Це можливо при русі машини накатом (з гори), коли потужність передається в зворотному напрямку - від ведучих коліс до двигуна. У цьому випадку між кулачками 28 і 30 з'являється зазор, а між зубами зубчастих вінців 8,20 вибирається зазор. Потік потужності від двигуна через кулачки 28,30 переривається і потужність передається від ведучи х коліс через зачеплення зубчастих вінців 8,20. Таким чином, передача потужності від двигуна до ведучих коліс (від шестірні 4 до проміжної кулачкової муфти 24 і валу 1 - при русі машини в тяговому режимі двигуна) здійснюється через зачеплення кулачків 28, 30, а передача потужності від ведучих коліс до двигуна (від вала 1 до шестірні 4 - при русі накатом, коли відбувається гальмування двигуном) здійснюється через зачеплення зубчастих вінців 8, 20 зубчасту муфту 13 і проміжну кулачкову м уфту 24. Друга і че тверта передачі включаються таким же синхронізатором, розташованим в іншому місці. Для включення четвертої передачі необхідно спочатку вивести з зачеплення зубчасті вінці 8 і 20 шестірні 4 і зубчастої муфти 13 третьої передачі. У цей час завершується розгін машини на третій передачі і потужність від двигуна до ведучих коліс передається від шестірні 4 через кулачки 30 і 28 на проміжну кулачкову муфту 24 і далі на вал 1. Причому між зубами зубчастих вінців 8 і 20 (див. Фіг.1) чи кулачками 42 і 40 (див. Фіг.6) зубчастої муфти 13 мається зазор (b), завдяки якому зубчаста муфта 13 легко виводиться з зачеплення і своєю конічною проточкою 36 стає над фіксуючим шти фтом 34. Відбувається розблокування проміжної кулачкової муфти 24 щодо вала 1. Початок включення синхронізатором четвертої передачі (зіткнення конусів) відбувається аналогічно включенню третьої передачі. Однак частота обертання шестірні четвертої передачі перевищує частоту обертання зубчастої муфти 13 синхронізатора другої-четвертої передачі і корпус 9 своїм поглибленням фігурного прорізу 10 притискає палець 23 і перешкоджає осьовому переміщенню зубчастої муфти 13 і проміжної кулачкової муфти 24. Для вирівнювання частот обертання, коли утримуюча сила корпуса 9 і пальця 23 зникне, необхідно зменшити частоту обертання двигуна ("скинути" обороти - відпусти ти педаль подачі палива), кінематично зв'язаного (на мал. не показане) із шестірнями четвертої і третьої передач. Після вирівнювання частот, подальше включення четвертої передачі відбувається аналогічно включенню третьої передачі. У цей же час частота обертання шестірні 4 третьої передачі стає менше частоти обертання проміжної кулачкової муфти 24, що через вал 1 кінематично зв'язана з ведучим колесом. Провертаючись друг щодо друга, кулачки 30 шестірні 4 діють своїми неробочими поверхнями 33 на такі ж неробочі поверхні кулачків 28 проміжної кулачкової муфти 24 і виштовхують її із зачеплення із шестірнею 4. При цьому фіксуючий штифт 34 одним кінцем рухається по конічній проточці 38, переміщається в радіальному напрямку по отвору 35, і іншим кінцем входить у конічну проточку 36 зубчастої муфти 13 і не перешкоджає осьовому переміщенню проміжної кулачкової муфти 24. Далі відбувається одночасне осьове переміщення проміжної кулачкової муфти 24 і зубчастої м уфти 13, тобто автоматичне відключення третьої передачі. Включення наступної передачі відбувається аналогічно. При переключенні з вищої передачі на нижчу необхідно (після виведення з зачеплення зубчастої муфти вищої передачі) спочатку "скинути" частоту обертів (обороти) колінчастого вала двигуна для автоматичного відключення проміжної кулачкової муфти, а потім (для синхронізації конусів і включення нижчої передачі) необхідно збільшити частоту обертання колінчастого вала двигуна. В іншому включення відбувається аналогічно переключенню з нижчої передачі на вищу. Введення в синхронізатор проміжної кулачкової муфти з кулачками, розташованими на значній відстані один від одного, і фіксуючим шти фтом, дозволяє після зрушення машини переключати передачі без зчеплення, рухаючись на попередній передачі. Це скорочує час і полегшує переключення передач, підвищує надійність роботи, а також забезпечує працездатність синхронізатора при використанні його в діапазоннобезступінчастих коробках передач. На пропонований синхронізатор на ВАТ "Харківський тракторний завод ім. С. Орджонікідзе" випущені креслення і ведеться виготовлення деталей та зборка вузла для його наступного випробування.